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引言 根据现代学者认为比较可信的结论，《周髀算经》约成书于公元前100年。自古至今，它一直毫无疑问地被视为最纯粹的中国国粹。而今视《周髀算经》为西方式的公理化体系，似乎有一点异想天开。然而，如果我们能够先捐弃成见，并将眼界从中国扩展到其它古代文明，再来仔细研读《周髀算经》原文，就会惊奇地发现，上述问题不仅不是那么异想天开，而且还有很深刻的科学史和科学哲学意义。 西方科学史上的公理化方法，用之于天文学上时，主要表现为构建宇宙的几何模型。从Eudoxus,Callippus,Aristotle,到Hipparchus,构建了一系列这样的模型，至Ptolemy而集前人之大成——Almagest（《至大论》）中的几何模型成为公理化方法在天文学方面的典范。直至近代，Copernicus,Tycho,Kepler等人的工作也仍是几何模型。 古代中国的传统天文学几乎不使用任何几何方法。“浑天说”虽有一个大致的“浑天”图象，不失为一种初步的宇宙学说，但其中既无明确的结构（甚至连其中的大地是何形状这样的基本问题都还令后世争论不休），更无具体的数理，自然也不是宇宙的几何模型。事实上古代中国天文学家心目中通常根本没有几何模型这种概念，他们用代数方法也能相当精确地解决各种天文学问题，宇宙究竟是什么形状或结构，他们完全可以不去过问。 然而，《周髀算经》是古代中国在这方面唯一的例外——《周髀算经》构建了古代中国唯一的一个几何宇宙模型。这个盖天宇宙的几何模型有明确的结构，有具体的、绝大部分能够自洽的数理。《周髀算经》的作者使用了公理化方法，他引入了一些公理，并能在此基础上从他的几何模型出发进行有效的演绎推理，去描述各种天象。尽管这些描述与实际天象吻合得并不十分好，然而确实是应用公理化方法的一次认真尝试。对于古代中国科学史上这样一个突出的特例，有必要专门探讨一番。 “日影千里差一寸”及其意义 在《周髀算经》中，陈子向荣方陈述盖天学说，劈头第一段就是讨论“日影千里差一寸”这一公式，见卷上第3节： 夏至南万六千里，冬至南十三万五千里，日中立竿无影。此一者天道之数。周髀长八尺，夏至之日晷一尺六寸。髀者，股也；正晷者，勾也。正南千里，勾一尺五寸；正北千里，勾一尺七寸。 这里一上来就指出了日影千里差一寸。参看图1：日影，指八尺之表（即“周髀”）正午时刻在阳光下投于地面的影长，即图1中的l,八尺之表即h,当： h=8尺 l=1尺6寸 时，向南16,000里处“日中立竿无影”，即太阳恰位于此处天顶中央，这意味着： L=16,000里，或 H=80,000里 这显然就有： L/l=16,000里/1尺6寸=1,000里/1寸 即日影千里差一寸。 接着又明确指出，这一关系式是普适的——从夏至日正午时l=1尺6寸之处（即周地），向南移1,000里，日影变为1尺5寸；向北移1,000里，则日影增为1尺7寸。这可以在图中看得很清楚。 同时，由图1中的相似三角形，显然还有： L/l=H/h=1,000里/1寸 在上式中代入h=8尺，即可得到： H=80,000里 即《周髀算经》中天与地相距八万里的结论，见原文卷上第3节： 候勾六尺，……从髀至日下六万里而髀无影。从此以上至日则八万里。 即在图中令l=6尺，L=60,000里，h=8尺，就可得出H=80,000里。日在天上，故从“髀无影”之地“上至日”80,000里，自然就是天地相距80,000里。 上述关系式其实无论l（即勾，也即日影）是否为6尺都能成立，《周髀算经》之所以要“候勾六尺”，是因为它只掌握勾股定理在“勾三股四弦五”时的特例，故必须凑数据以便套用这一特例——勾6尺即表至日下60,000里，天地相距80,000里，于是从表“邪（即斜）至日”为100,000里，正是3、4、5的倍数。 《周髀算经》明确建立日影千里差一寸的关系式之后，接着就拓展这一关系式的应用范围。卷上第4节云： 周髀长八尺，勾之损益寸千里。……今立表高八尺，以望极，其勾一丈三寸，由此观之，则从周北十万三千里而至极下。 此处日影不再必要，这只需将图1中的S点（原为太阳所在位置）想象为北极位置，就可一目了然，现在： h=8尺 l=1丈3寸 L=103,000里 “勾之损益寸千里”的关系式仍可照用不误。在《周髀算经》下文对各种问题的讨论中，这一关系式多次被作为已经得到证明的公式加以使用（必须始终在“正南北”方向上）。 讨论到这里，有一点必须特别注意，就是：无论上引第3节还是第4节中所述千里影差一寸的关系式，若要成立，必须有一个暗含的前提——天与地为平行平面。这在图1中是显而易见的，如果没有这一前提，上述各种关系式以及比例、相似三角形等等全都会无从谈起。 这就是说，《周髀算经》将天地为平行平面这一点视为不证自明的当然前提。要理解这一状况，对于现代人来说会比古人困难得多。因为现代人已有现代教育灌输给他的先入之见——大地为球形；所以现代人见到古人这一前提，首先想到的是它的谬误。但古人却无此成见，他们根据直观经验很容易相信天与地是平行平面。这也正是《周髀算经》中“勾之损益寸千里”之说在古代曾广泛被接受的原因。古人认为推出这一结论是显而易见、不容置疑的，这里不妨举一些例： 欲知天之高，树表高一丈，正南北相去千里，同日度其阴，北表二尺，南表尺九寸，是南千里阴短寸；南二万里则无影，则直日下也。 日正南千里而（影）减一寸。 悬天之景，薄地之仪，皆移千里而差一寸。 这些说法都只要看图即可了然。古人后来当然也发现了“勾之损益寸千里”不符合观测事实，但这已是很晚的事了。在《周髀算经》成书以及此后相当长的年代里，古人对于这一关系式看来并不怀疑。 一些现代论著也曾经注意到《周髀算经》中“勾之损益寸千里”是以天地为平行平面作为前提的，但作者们首先想到的是这一前提的谬误（这一前提当然是谬误的），而他们在指出这“自然都是错误的”之后，也就不再深究，转而别顾了。 指出《周髀算经》中的错误，在今天来说确实已经没有多少意义；然而，如果我们分析讨论“勾之损益寸千里”及其前提“天地为平行平面”在《周髀算经》的盖天学说中究竟有什么样的地位和意义，却是大有意义之事。 公理与定理 在西方历史上，建立科学学说有所谓“公理化方法”（axiomaticmethod），意指将所持学说构造成一个“演绎体系”（deductivesystem）。这种体系的理想境界，按照科学哲学家J.Losee的概括，有如下三要点： A.公理与定理之间有演绎关系； B.公理本身为不证自明之真理； C.定理与观测结果一致。 其中，B是Aristotle特别强调的。而Euclid的《几何原本》被认为是公理化方法确立的标志。但是在天文学上，由于这一学科的特殊性，应用公理化方法会有所变通： 在理论天文学中，那些遵循着“说明现象”传统的人采取了不同态度。他们摈弃了Aristotle的要求——为了能说明现象，只要由公理演绎出来的结论与观测相符即可。这样，公理本身即使看起来是悖谬的甚至是假的，也无关紧要。 也就是说，只需前述三要点中的一、三两点即可。这个说法确实可以在天文学史上得到证实，Aristotle的“水晶球”体系、Ptolemy的地心几何体系，以及中世纪阿拉伯天文学家种种奇情异想的宇宙几何模型，都曾被当时的天文学家当作公理（在这里类似于现代科学家所谓的“工作假说”）来使用而不问其真假。 现在再来看《周髀算经》中的盖天学说，就不难发现，“天地为平行平面”和“勾之损益寸千里”两者之间，正是公理与定理的关系。仔细体味《周髀算经》全书，“天地为平行平面”这一前提是被作为“不证自明之真理”，或者说，是被作为盖天学说系统的公理（亦即基本假设）之一的。 至于“天地为平行平面”之不符合事实，也应从两方面去分析。第一，如上所述，从公理化方法的角度来看，即使它不符合事实也不妨碍它作为公理的地位。第二，符合事实与否，也是一个历史性的概念——我们今天知道这一公理不符合事实，当然不等于《周髀算经》时代的人们也已经如此。 剩下的问题是“定理与观察结果一致”的要求。我们现在当然知道，由公理“天地为平行平面”演绎出来的定理“勾之损益寸千里”与事实是不一致的。演绎方法和过程固然无懈可击，然而因引入的公理错了，所以演绎的结果与事实不符。但对此仍应从两方面去分析。第一，演绎结果与观测结果一致仍是一个历史性概念，在古人观测精度尚很低的情况下，“勾之损益寸千里”无疑在相当程度上能够与观测结果符合。第二，也是更重要的，从公理演绎出的定理与客观事实不符，只说明《周髀算经》所构造的演绎体系在描述事实方面不太成功，却丝毫不妨碍它在结构上确实是一个演绎体系。 “日照四旁”与宇宙尺度 《周髀算经》作为一个演绎体系，并不止一条公理。它的第二条公理是关于太阳光照以及人目所见的极限范围，见卷上第4节： 日照四旁各十六万七千里。 人所望见，远近宜如日光所照。 这是说，日光向四周照射的极限距离是167,000里，而人极目远望所能见到的极限距离也是同样数值。换言之，日光照不到167,000里之外，人也不可能看见167,000l里之外的景物。从结构上看，这条原则也属于《周髀算经》中的基本假设，亦即公理。因为这条原则并非导出，而是设定的。 以往学者们在这个问题上的研究，主要是根据《周髀算经》所交代的有关数学关系式，试图去说明此167,000里之值因何而取。尽管各种说明方案在细节上互有出入，但主要结论是一致的，即认为这个数值是《周髀算经》作者为构造盖天宇宙模型而引入的，或者说是凑出来的。然而这里必须注意，拼凑数据固然难免脱离客观实际，同时却也不能不承认这是作者采用公理化方法（或者至少是“准公理化方法”）构造盖天几何模型的必要步骤之一。而且还应该注意到，《周髀算经》引入日照四旁167,000里之值后，在“说明现象”方面确实能够取得相当程度的成功。正如程贞一、席泽宗所指出的： 由这光照半径，陈子模型（按即指《周髀算经》的盖天宇宙模型）大致上可解释昼夜现象及昼夜长短随着太阳轨道迁移的变化。……同时也可以解释北极之下一年四季所见日光现象。 应该看到，在将近两千年前的中国，构造出这样一个几何模型，并且能大致上解释实际天象，实在已属难能可贵。 《周髀算经》的盖天宇宙模型是一个有限宇宙：天、地为圆形的平行平面，两平面间相距80,000里；而此两平面大圆形的直径为810,000里。810，000里之值在《周髀算经》中属于导出数值。原书中有两处相似的推导，一处见卷上第4节： 冬至昼，夏至夜，差数所及，日光所逮观之，四极径八十一万里，周二百四十三万里。 日冬至所照过北衡十六万七千里，为径八十一万里，周二百四十三万里。 北衡即外衡，这是盖天模型中冬至日太阳运行到最远之处，以北极为中心，此处的日轨半径为238,000里；太阳在此处又可将其光芒向四周射出167,000里，两值相加，得到宇宙半径为405,000里，故宇宙直径为8i0,000里。注意这里宇宙直径是在《周髀算经》所设定的“日照四旁”167,000里之上导出的。 结语 周髀算经》的盖天学说，作为一个用公理化方法构造出来的几何宇宙模型，和早于它以及约略与它同时代的古希腊同类模型相比，在“说明现象”方面固然稍逊一筹，然而我们在《周髀算经》全书的论证过程中，确实可以明显感受到古希腊科学的气息。从科学思想史的角度来说，公理化方法在两千前的遥远东方，毕竟也尝试了，也实践了，这是意味深长的。 周髀算经》之后，构造几何模型的公理化方法就在古代中国绝响了。特别令人疑惑的是，《周髀算经》的几何宇宙模型究竟是某种外来影响的结果，还是中国本土科学中某种随机出现的变异？而且，不论是上述哪一种情形，为何它昙花一现之后就归于绝响？可惜这些令人兴奋的问题已经超出了本文的范围。 （来源：新浪微博） |
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